GaAs纳米线阵列光阴极制备及其理论研究

Semiconductor nanowire arrays have already been shown to have a high absorption coefficient or excellent light trapping, low reflective loss and a short distance that electrons need to travel along nanowire diameter to the wire surface compared to semiconductor thin film. These properties are very useful for photoemission. In this project, we will investigate the preparation and photoemission theory of GaAs wire-array photocathodes. GaAs nanowire arrays will be grown by metal-organic chemical vapor deposiyion (MOCVD) and be synthesized using metal-assisted chemical etching (MacEtch). The photon absorption properties and electron transport properties of nanowire arrays will be characterized and the band structure of nanowires will be constructed. Based on these optoelectric properties and band structure of the nanowire arrays, we will establish a photoemission theory model for GaAs wire-array photocathode. GaAs wire-array photocathodes will be prepared in an ultra-high vacuum activation chamber. Based on the application of in-Situ characterization techniques to the study of nanowire photocathode surface, we will construct a NEA surface model for GaAs nanowire photocathodes. The spectral response of the nanowire photocathodes will be measured using spectral response measuring instrument and analyzed using photoemission theory. Based on these expermental and theoretical results, we will reveal the photoemission mechanism and optimize the preparation methods of nanowire photocathodes, and achieve a high performance GaAs wire-array photocathode. GaAs wire-array photocathodes have great potential for applications in solar energy, low-light level night vision, photoeletric detection, electron source etc.

半导体纳米线阵列具备半导体薄膜材料所不具有的光子吸收充分、光反射小、光电子输运到材料表面的距离短等特性，这些特性非常有利于光电发射。本项目拟利用上述特性，开展GaAs纳米线阵列光阴极制备及其理论研究，通过MOCVD外延生长和金属辅助化学刻蚀法制备GaAs纳米线阵列材料，表征分析其光子吸收与电子输运特性，构建纳米线光阴极能带结构模型；基于纳米线阵列光电特性以及能带结构模型的研究，建立GaAs纳米线阵列光阴极光电发射理论模型；在超高真空激活系统中制备GaAs纳米线阵列光阴极，利用原位表征分析技术，建立GaAs纳米线NEA表面模型；测试不同光照角度下的阴极光谱响应曲线，利用光电发射理论进行仿真分析，揭示GaAs纳米线阵列光阴极光电发射机理，优化阴极制备工艺，得到高性能GaAs纳米线阵列光阴极。GaAs纳米线阵列光阴极在太阳能、微光夜视、光电探测、电子源等领域具有很好的应用前景。

利用半导体纳米线阵列在光子吸收和电子输运两方面的优异性能，开展了GaAs纳米线阵列光阴极制备及其理论研究。主要研究内容包括GaAs纳米线阵列材料制备与性能表征、GaAs纳米线阵列光阴极能带结构模型与电子输运特性、GaAs纳米线阵列光阴极光电发射理论和GaAs纳米线阵列光阴极激活工艺等。通过光刻、SiO2纳米球和纳米压印等掩模制作方法和干法刻蚀技术相结合制备了各种不同规格的GaAs纳米线阵列材料。光刻技术用于制备尺寸稍大的阵列，SiO2纳米球和纳米压印用于制备小尺寸纳米线阵列。利用SEM分析了制备得到的GaAs纳米线阵列材料的表面形貌、均匀性、特征尺寸和晶体结构。利用光谱反射率测量分析了纳米线阵列材料的光子捕获效应，深入研究了光子反射和吸收特性与纳米线尺寸和密度的关系，发现反射率都有明显降低。利用微区PL谱测试发现了纳米线PL谱的红移现象，而且直径越小，红移越明显，这种现象与刻蚀造成的应力弛豫和测试时激光照射导致的加热效应有关。通过上述表征分析证实制备的纳米线阵列排列整齐、表面光滑、无明显缺陷。研究了深刻蚀过程中纳米线顶部的剥离现象，并提出了解决办法。提出了基于微区扫描光电流技术（SPCM）的GaAs基纳米线性能表征新方法。依据纳米线尺寸的大小，分别建立了纳米线阵列光学模型。在纳米线直径1μm或以上时，采用射线追踪法计算光场分布，小于1μm时，利用时域有限差分法（FDTD）进行建模仿真。在得到光场分布后，再利用纳米线独特的能带结构及载流子漂移-扩散方程，建立了纳米线阵列三维光电发射模型。利用上述模型仿真发现GaAs纳米线阵列光阴极存在一个30度左右的最佳入射角，纳米线高度和占空比同样存在最佳值。仿真分析了变组分AlGaAs/GaAs纳米线由于具有很强的内建电场，因而可提高发射效率和分辨率。在超高真空激活系统中制备了GaAs纳米线阵列光阴极，测试了不同光照角度下的阴极光谱响应曲线，同样发现了最佳角度现象，与理论结果具有很好的一致性。同时还发现同样尺寸时，方形比圆形纳米线阴极具有更高的发射效率。